• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Biologi
    Hur bakterier turboladdade sina motorer

    3D-modellbilder av de åtta studerade bakteriemotorerna. Upphovsman:Morgan Beeby/Imperial College London

    Med detaljerade 3D-bilder, forskare har visat hur bakterier har utvecklat molekylära motorer med olika krafter för att optimera deras simning.

    Upptäckten, av ett team från Imperial College London, ger insikter om evolution på molekylär skala.

    Bakterier använder molekylmotorer som bara är tiotals nanometer breda för att snurra en svans (eller "flagellum") som driver dem genom deras livsmiljö. Liksom konstgjorda motorer, strukturen på dessa nanoskala maskiner bestämmer deras kraft och bakteriens simförmåga.

    Tidigare, teamet från Institutionen för biovetenskap vid Imperial tittade på dessa motorer och upptäckte en nyckelfaktor som bestämde hur starkt bakterier kunde simma. Liksom konstgjorda motorer, bakteriemotorer har distinkta 'stator' och 'rotor' komponenter som snurrar mot varandra.

    Teamet fann att ju fler statorstrukturer bakteriemotorn hade, ju större dess vridkraft, och ju starkare bakterien simmade. Trots dessa skillnader, DNA -sekvensanalys visar att kärnmotorerna är släkt relaterade. Detta fick forskare att ifrågasätta hur struktur och simmångfald utvecklades från samma kärndesign.

    Nu, i ny forskning som publicerades idag i tidskriften Vetenskapliga rapporter , forskarna kunde bygga ett "släktträd" av bakteriemotorer genom att kombinera 3D-avbildning med DNA-analys. Detta gjorde att de kunde förstå hur förfädersmotorer kan ha sett ut, och hur de kunde ha utvecklats till de sofistikerade motorerna som ses idag.

    Teamet fann en tydlig skillnad mellan motorerna hos primitiva och sofistikerade bakteriearter. Medan många primitiva arter hade cirka 12 statorer, mer sofistikerade arter hade cirka 17 statorer. Detta, tillsammans med DNA -analys, föreslog att gamla motorer också kanske bara hade 12 statorer.

    Denna tydliga separation mellan primitiva och sofistikerade arter representerar ett "kvantsprång" i utvecklingen, enligt forskarna. Deras studie avslöjar att ökningen av motoreffekten sannolikt är resultatet av befintliga strukturer som smälter samman. Detta bildar en strukturell byggnadsställning för att införliva fler statorer, som kombineras för att driva rotation med högre kraft.

    Cryo-EM-bilder av de åtta statorkomplexen. Upphovsman:Morgan Beeby/Imperial College London

    Huvudforskaren Dr. Morgan Beeby sa:"Vi är vana vid att observera evolution i stor skala av djur eller växter, som att giraffens hals långsamt blir längre med tiden för att nå tidigare otillgänglig mat.

    "Dock, utvecklingen på molekylär skala är mycket mer radikal. Det är som en giraff som får barn med halsar plötsligt en meter längre. "

    För att genomföra studien, laget visualiserade ett antal motorer från olika bakteriearter med hjälp av en variant av en metod som kallas kryovalmikroskopi, vars pionjärer tilldelades Nobelpriset i kemi i år. Metoden innebär att flashfrysning av motorerna inuti levande celler. När fryst, de kan avbildas från alla vinklar för att bygga upp en 3D-bild av hur motorn ser ut inuti cellen.

    De byggde sedan upp ett 'släktträd' av arten med hjälp av DNA -sekvensanalys, som relaterade deras simförmåga och motoriska egenskaper. De fann att bakterier med 17 eller fler statorer, och deras släktingar, hade extra strukturer fästa på sina motorer.

    Forskarna tror att dessa extra strukturer smälter samman i sofistikerade bakterier för att ge en större ställning för att stödja fler statorer.

    Dock, de säger också att detta troligen inte var en engångshändelse. De extra strukturerna verkar ha utvecklats många gånger i olika bakteriearter, använder olika byggstenar men producerar samma funktionalitet.

    Samma funktioner som utvecklas oberoende i helt olika organismer har tidigare setts i djur- och växtriket. Till exempel, insekter, fladdermöss och fåglar har alla utvecklade vingar som har liknande funktion men har helt olika ursprung, ögonen har dykt upp flera gånger, och det finns goda bevis på att nervsystemet också har utvecklats flera gånger, med några varelser som besitter konstiga system till skillnad från hjärnorna och ryggmärgen vi är vana vid.

    Dr Beeby sa:"Bakteriemotorer är komplexa maskiner, men med sådana här studier kan vi se hur de har utvecklats i olika steg. Dessutom, "språnget" från 12 statorer till 17, medan en stor innovation, har en aspekt av "biologisk oundviklighet" på samma sätt som vingar, ögon, eller nervsystem hos högre djur:föregångarna till högt vridmoment har utvecklats flera gånger, och en uppsättning av dem slutade med att smälta ihop till den byggnadsställning vi beskriver i vårt arbete. "

    Han tillade:"Evolution är en kreativ process, använder ofta variationer på ett tema. Det sprider ständigt nya molekylära idéer, många av dem misslyckas, men oundvikligen förverkligas vissa flera gånger. Vi har sett detta hos djur, och nu ser vi denna process även i den nanoskopiska världen av molekylär evolution. "


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com